Consideraciones generales para optimizar el transporte de mermelada de fresa a travs
de un sistema de tuberas
Jose Rodriguez Lalama
Resumen
El flujo de una sustancia a travs de un sistema de tuberas est sujeto a las propiedades
reologicas del mismo y a otras propiedades inherentes a las tuberas y sistemas de impulsin.
La mermelada es un fluido no newtoniano cuyo flujo se ve limitado por su alta viscosidad, por las
condiciones de la tubera, por los accesorios y equipos presentes en la lnea y por las cualidades de
la bomba aplicada para el trabajo.
Su alta viscosidad nos sugiere que usemos tuberas con baja rugosidad para as disminuir la friccin
que se forma de manera natural en las paredes de la tubera.
Existen perdidas de presin a lo largo de la tubera provocadas por la friccin ocasionada por los
accesorios, equipos, codos, curvaturas y la tubera en s, las cuales deben ser compensadas por el
equipo de impulsin.
Una vez que se ha calculado la carga necesaria para transportar el caudal de mermelada que nos
interesa, debemos seleccionar una bomba que cumpla con nuestros requerimientos.
Entre todas las bombas disponibles en el mercado, las bombas rotatorias son las ms adecuadas
para movilizar la mermelada, por tanto es recomendable adquirir una para realizar dicha labor.
Por ltimo se debe ubicar la bomba en un lugar adecuado para as evitar la cavitacin y el
posterior deterioro del equipo.
Notaciones
Variacin de presin, Pa
Variacin de velocidad, m/s
Variacin de altura, m
Esfuerzo Cortante, Pa
Velocidad de deformacin,
Viscosidad dinmica efectiva, Pa.s
ndice de flujo
ndice de consistencia, Pa
Temperatura,
Energa de activacin, J
Constante del fluido,
Densidad, Kg/
Factor de friccin fanning
Longitud, m
Longitud equivalente, m
Dimetro interno de tubera, m
Rugosidad equivalente, m
Factor de correccin
Flujo msico, Kg/s
ndice de resistencia al flujo
Presin de vapor, Pa
Gravedad, m/
Carga neta positiva de aspiracin, m
I. Introduccin
Hoy en da la mermelada de fresa ha adquirido un gran valor comercial dado su disponibilidad
alrededor del mundo, por lo que numerosas empresas se encuentran actualmente en el negocio
de las conservas.
Para introducirnos en este negocio es necesario contar con el equipo necesario para la
transformacin de las materias primas en el producto final y tambin contar con un sistema de
transporte para poder movilizar el mismo.
Los equipos implicados en la transformacin de las materias primas ms que nada dependen del
volumen de produccin que estemos dispuestos a manejar diariamente, sin embargo el sistema de
transporte implica muchos otros factores a considerar adems del flujo de producto que estemos
procesando.
Las propiedades reologicas del producto, consideraciones generales en cuanto a tuberas,
consideraciones generales en cuanto a equipos y accesorios y las consideraciones generales en
cuanto a bombas son los aspectos ms importantes a tomar en cuanto al disear el sistema de
transporte del fluido.
En el siguiente reporte se explicara detalladamente cmo influyen estos factores en el transporte
de la mermelada y se darn recomendaciones y observaciones para as optimizar el proceso en
cuestin.
II. Propiedades reologicas
Aquellos productos alimenticios formulados a base de pulpa de fruta, pectina gelificada, azcar y
aditivos se conocen como mermeladas.
En general las mermeladas mantienen una formulacin muy similar, conformada por 40% de pulpa
en peso, 60% de slidos totales, pectina en una proporcin de 1 a 5 con respecto al azcar y por
ltimo se emplean cidos orgnicos para alcanzar el pH de gelificacin optimo de la pectina
La deformacin de los fluidos puede guardar una relacin lineal con el esfuerzo cortante o no. A
los primeros se los conoce como fluidos newtonianos y por lo general son fluidos de viscosidad
baja, los segundos son su contraparte, son fluidos muy viscosos que oponen resistencia al
movimiento y se conocen como no newtonianos.
Todos los ingredientes constituyentes de la mermelada afectan sus propiedades reologicas. Por su
gran contenido de sacarosa y pectina, el fluido ser muy denso y viscoso.
Esto nos lleva a pensar que la mermelada de fresa opondr cierta resistencia al movimiento la cual
har ms difcil la faena de transportarla a travs de una tubera, por tanto podemos concluir
intuitivamente que estamos frente a un fluido no newtoniano.
Existen dos variedades de fluidos no newtonianos, los que dependen del tiempo y los que no. La
mayora de los alimentos encajan dentro del segundo grupo y la mermelada de fresa no es la
excepcin.
Estudios preliminares han comprobado que la mermelada de fresa se comporta como un fluido
pseudoplastico (1) y que puede ser modelada con la ley de potencia con un ajuste muy bueno. Por
lo tanto usaremos este aspecto como punto de partida para nuestras futuras hiptesis.
Otro factor influyente en la viscosidad de la mermelada es la temperatura (2) (3). Por lo general la
mermelada se transporta caliente, lo que es muy conveniente ya que la viscosidad es
inversamente proporcional a la temperatura del fluido. Sin embargo no debemos excedernos en
la temperatura final del producto porque esto puede conducir a defectos tecnolgicos del mismo.
III. Consideraciones generales en cuanto a tuberas
Para poder transportar un fluido es indispensable adquirir tuberas que vayan acorde con nuestras
necesidades. Tres factores limitantes para la adquisicin de tuberas sern el espacio fsico con el
que contamos para la instalacin, el tipo de fluido a transportar, dimetro de la tubera.
A. Espacio fsico
Cuando un fluido pasa a travs de una tubera existen fuerzas de friccin entre las paredes de la
tubera y el fluido, a medida que el fluido avanza, este se ralentiza por las fuerzas ya mencionadas
originando una cada de presin (4). Es por tanto que podemos decir que las cadas de presin en
un fluido son directamente proporcionales a la longitud que tenga la tubera (5).
Por otro lado entre ms pequeo sea el espacio fsico con el que contamos para la instalacin,
habrn mas curvaturas y codos presentes en nuestras redes de tuberas.
Esto puede ser un problema dado que las curvaturas y los codos en la lnea causan una cada de
presin en el fluido que aunque independientemente son pequeas en conjunto pueden llegar a
ser significativas (6) (7).
Todas estas cadas de presin disminuyen el estado energtico del fluido por lo que se hace
necesario introducir al sistema una fuerza capaz de compensar dichas prdidas. Los equipos
encargados de vencer dichas fuerzas son las bombas y entre mas perdidas hayan se requerirn
bombas ms caras y potentes.
B. Tipo de fluido a transportar
Acosta de que nuestro fluido de inters es mermelada debemos adquirir tuberas de grado
alimentario con la menor rugosidad posible, de esta manera disminuiremos en alguna medida la
friccin entre las paredes de la tubera y la mermelada que ya de por si es bastante viscosa (8) (9).
C. Dimetro de la tubera
Dado que la presin es inversamente proporcional al dimetro (10) (11) podemos aseverar que si
disminuimos el dimetro de las tuberas requeriremos una mayor presin para hacer fluir la
mermelada y viceversa.
Y este gradiente de presin como ya se menciono anteriormente ser suministrado por la bomba
que se disponga.
IV. Consideraciones generales en cuanto a equipos y accesorios
Los equipos en la lnea de flujo del producto son indispensables para su transformacin y
conservacin, estos equipos producen cadas de presin a lo largo de la tubera que pueden ser
calculados a partir de las dimensiones del accesorio o bien pueden ser proporcionadas por el
fabricante, para la mermelada encontramos especialmente a lo largo de la lnea por lo menos un
intercambiador de calor. Por tanto es un factor a considerar en nuestra planificacin y diseo.
Adems de las cadas de presin originadas por los equipos existen otras perdidas de energa
menores ocasionadas por todos los accesorios que hubiesen en nuestra lnea (12) (13).
En general las cadas de presin generadas por la tubera, por los accesorios o bien por los equipos
que se encuentren a lo largo de la lnea de flujo pueden ser calculadas a partir de la siguiente
formula (14) (15).
Esta frmula est en funcin de una longitud la cual corresponde a la longitud de la tubera y la
longitud equivalente de los accesorios y equipos.
Este valor calculado nos ser de gran utilidad para as poder encontrar una potencia de bomba
mnima para hacer fluir la mermelada entre dos puntos de inters.
V. Consideraciones generales en cuanto a bombas
Las bombas son el corazn del sistema de transporte de los fluidos a lo largo de la tubera, estos
equipos nos permiten vencer las fuerzas que impiden que el producto fluya de manera natural,
por tanto hay que saber seleccionar la bomba adecuada que nos permita realizar la tarea
cometida.
Los factores ms importantes a considerar para adquirir una bomba son el tipo de bomba a usar y
su potencia.
Otro factor a considerar en la instalacin de la misma es la ubicacin del equipo a lo largo de la
lnea.
A continuacin se describen los factores antes mencionados en funcin de las necesidades del
usuario.
A. Tipo de bomba
Existen muchas bombas en el mercado pero en general las podemos clasificar en dos grandes
grupos.
Las bombas centrifugas son bombas capaces de mover fluidos de baja viscosidad y con slidos en
suspensin pequeos, su uso es extenso en la rama de alimentos pero para bombear un alimento
tan viscoso como la mermelada usar este tipo de bomba resulta ambiguo.
Por otro lado tenemos las bombas de desplazamiento positivo, estas estn diseadas para
transportar fluidos no newtonianos viscosos, existen muchas bombas de este tipo pero las que
mejor se adaptan al producto en este caso son las rotatorias dado que producen un flujo continuo
de la mermelada y son bastante eficientes.
B. Potencia de la bomba
La potencia de la bomba para mover un determinado caudal de fluido es el factor decisivo para
adquirir la misma, una potencia menor de lo requerida para el proceso har que la bomba sea
obsoleta y su contraparte significa gastar dinero innecesariamente.
La potencia de bomba se puede obtener al realizar el balance de energa mecnica en nuestra
lnea de flujo como se muestra a continuacin (16).
Hecho esto tenemos que seleccionar una bomba capaz de ejercer la potencia requerida sin olvidar
que el valor que proporciona el fabricante no es real por que todas las bombas tienen una
eficiencia en su desempeo.
C. Ubicacin de la bomba
El ltimo paso para completar la instalacin de nuestro sistema ser ubicar la bomba en algn
punto de nuestra lnea.
Para esto deberemos calcular el NPSH (carga positiva neta de succin) disponible y comparar con
el NPSH que ofrece nuestra bomba (17).
Si el entonces deberemos tomar alguna medida correctiva para aumentar
nuestra carga bien sea aumentando la altura de aspiracin, situando la bomba ms cerca del
tanque o quitando accesorios.
Esto nos ayudara que la bomba tenga un mejor desempeo y no se dae prematuramente por
efecto de la cavitacin.
VI. Resultados
Una vez analizadas las consideraciones planteadas en este trabajo para la instalacin u
optimizacin de un sistema de transporte de mermelada de fresa podemos elaborar una tabla que
refleje todos los factores involucrados en el transporte del producto y cules son las restricciones
que limitan a cada uno de ellos.
Tabla I. Consideraciones generales para optimizar el transporte de mermelada de fresa a travs de tuberas
Factor Relacin de inters Accin recomendada Restriccin
Temperatura
Aumentar la temperatura de la mermelada
Temperaturas por sobre los 80 producen perdidas de las propiedades organolpticas
Longitud de tuberas Disminuir la longitud de las tuberas
La tuberas deben ser capaces de conectar los distintos equipos requeridos en la transformacin y almacenamiento de la mermelada
Codos y curvaturas Disminuir la cantidad de codos y curvaturas en la lnea
El espacio fsico
Tipo de tubera Escoger una tubera con una rugosidad baja
Precio
Dimetro de tubera
Usar tuberas de mayor dimetro
Precio, menor transferencia de calor
Accesorios y equipos Adquirir equipos que produzcan menos cadas de presin, reducir la cantidad de accesorios
Precios, menor control de flujo en la lnea
Bombas
Disminuir la altura entre los tanques
Espacio fsico
Usar tanques abiertos a la atmosfera
Los tanques de almacenamiento por lo general no son abiertos a la atmosfera
Ninguna (no es significativo)
---
Reubicar la bomba, deshacerse de accesorios
Hay accesorios que no pueden eliminarse, en ocasiones no se puede elevar el tanque de suministro
VII. Conclusiones
Dado que la viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura, podemos transportar la
mermelada lo ms caliente posible y as disminuir su viscosidad lo que implica una potencia de
bombeo menor y por tanto un ahorro significativo en energa.
El dimetro es proporcional a la presin requerida para hacer fluir el producto, entre ms grande
sea el dimetro de la tubera se requerir menos presin para hacer fluir la mermelada sin
embargo esto conlleva a que la velocidad promedio de flujo de la misma sea lenta lo que en
muchas ocasiones se trata de evitar en la industria por que se tiene que procesar grandes
volmenes diariamente.
Existen cadas de presin a lo largo de la lnea de flujo de nuestro producto por los distintos
equipos y accesorios que se puedan encontrar, por tanto es indispensable usar la mnima cantidad
de accesorios, y poner en consideracin la cada de presin descrita en la ficha tcnica de un
equipo al momento de adquirirlo.
La longitud de la tubera es directamente proporcional a la cada de presin, esto se debe a la
friccin originada por las paredes de la tubera y el fluido, por tanto cuanto ms larga sea la
tubera el fluido perder ms energa y se requerir de una presin mayor para que este se mueva.
Existen muchas variedades de bombas en la industria de los alimentos, sin embargo las ms
adecuadas para transportar mermelada son las bombas rotatorias de desplazamiento positivo
porque estas nos ofrecen un flujo continuo y una eficiencia aceptable.
La bomba debe ser ubicada meticulosamente para as evitar la vaporizacin snica del agua dentro
de ella lo que producira un fenmeno conocido como cavitacin la que se puede evitar
aumentando la carga neta positiva disponible de la bomba a travs de distintas manera como por
ejemplo ubicar la misma lo ms cerca posible del tanque de alimentacin.
Referencias
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R, Paul; Heldman, D. R. Introduction to Food Engineering. 5th edition. China: AcademicPress;
2014. Chapter 2. Pag 65-209
General considerations to optimize strawberry jam transport through piping
Jose Rodriguez Lalama
Abstract
The flow of a substance through a piping system is subject to the rheological properties of the
same and other properties inherent to the piping and pumping systems.
The jam is a non-Newtonian fluid whose flow is limited by its high viscosity, the conditions of the
piping, accessories and equipment present in the line and the qualities of the pump applied for the
job.
Jams high viscosity suggests that we would use pipes with low roughness to reduce friction that
forms naturally in the walls of the pipe.
There are lost of pressure along the pipe caused by the friction caused by accessories, equipment,
elbows, curvatures and the pipeline, which must be compensated by the drive team.
Once the charge needed to transport the flow of jam that interests us has been calculated, we
must select a pump that meets our requirements.
Between all available pumps, rotary pumps are best suited to mobilize the jam, therefore it is
advisable to acquire one to perform such work.
Finally the pump must be located in a suitable place to avoid cavitation and the subsequent
deterioration of the equipment.
Notations
Pressure variation, Pa Speed variation, m/s
Height variation, m
Shear stress, Pa
Deformation speed,
effective viscosity, Pa.s
Flow rating
Consistency rating, Pa
Temperature,
Activation energy, J
Flows constant,
Density, Kg/
Friction factor fanning
Length, m
equivalent length, m
Pipes internal diameter , m
Equivalent roughness, m
Correction factor
mass flow, Kg/s
Flow resistance rating
Steam pressure, Pa
Gravity, m/
Net positive suction head, m
I. Introduction
Today the Strawberry Jam has acquired a great commercial value, because of its availability
around the world many companies are currently in the business of canned.
To bring us into this business it is necessary to count with the necessary equipment for the
transformation of raw materials into the finished product and also have a transport system to be
able to mobilize it.
The equipments involved in the transformation of raw materials mostly depend on production
volume that we are willing to handle daily, however the transport system involves many other
factors to consider besides the product flow which we are processing.
The rheological behavior of the product, General considerations about pipe properties, General
considerations about equipments and accessories, and general considerations about pumps are
the most important aspects to consider for designing the system of fluids transport.
The following report will explain in detail how these factors influence jams transportation and will
give some recommendations and observations to optimize the process involved.
II. Rheological behavior of the jam
Those food products formulated with pulp fruit, gelled pectin, sugar and additives are known as
jams.
Generally jams remain a very similar formulation, composed by 40% of pulp weight, 60% of total
solids, pectin sugar proportion 1:5 and finally organic acids to reach optimum pH pectin gel.
The deformation of the fluid can keep a linear relationship with the shear force or not. The first
are known as Newtonian fluids and they are usually low viscosity fluids, the seconds are its
counterpart, they are very viscous fluids that oppose resistance to the movement and are known
as non-Newtonian.
All the constituent ingredients of jam affect their rheological properties. Due to its high content of
sucrose and pectin, the fluid will be very dense and viscous.
This leads us to think that the Strawberry Jam movement resistance will make more difficult the
task of transporting it through a pipelin, therefore we can conclude intuitively that we are facing a
non-Newtonian fluid.
There are two varieties of non-Newtonian fluids, those which depend on the time and those that
dont. Most of the foods fit into the second group, and the Strawberry Jam is not the exception.
Preliminary studies have shown that the Strawberry Jam behaves like a pseudoplastic fluid (1) and
it can be modeled with the law of power with a very good fit. Therefore we will use this fact as
starting point for our future hypotheses.
Another factor that influences the jams viscosity is the temperature (2) (3). Usually the jam is
transported hot, which is very convenient because the viscosity is inversely proportional to the
temperature of the fluid. However we shall not overdo it on the final product because this can
lead to technological defects on it.
III. General considerations about pipes
To be able to transport a fluid it is essential to purchase pipes that go according to our needs.
Three limiting factors for the acquisition of pipelines will be the physical space that we have for
the installation, the type of fluid to be transported and the pipe diameter.
A. physical space
When a fluid passes through a pipeline there are friction forces between the walls of the pipe and
the fluid, as the fluid moves, this slows down by forces already mentioned causing a drop in
pressure (4). Therefore we can say that falls of pressure in a fluid are directly proportional to the
length of the tubing (5).
On the other hand between smaller is the physical space you have for the installation, there will
be more curvatures present in our networks of pipe elbows.
This can be a problem since curves and elbows in line cause a drop in pressure in the fluid that
independently are small but they altogether may be significant (6) (7).
All these falls of pressure decrease the energy state of the fluid so that is necessary to introduce a
force capable of compensating these losses of system. Equipments overcome those forces are
pumps and as more losses we have more expensive and powerful pumps will be required.
B. type of fluid to transport
Since that our fluid is jam we must acquire food grade pipes with lower roughness as possible, this
way we reduce to some extent the friction between the walls of the pipe considering that the jam
already is enough viscose (8) (9).
C. pipe diameter
Since the pressure is inversely proportional to the diameter (10) (11) we can assert that if we
reduce the diameter of the pipes we will require more pressure to flow the jam and vice versa.
And this pressure gradient as already mentioned previously will be supplied by the pump that is
available.
IV. General considerations about equipments and accessories
In the flow of the product line, equipments are essential for processing and conservation, these
produce pressure drops along the pipe which can be calculated from the dimensions of the
accessories or can be provided by the manufacturer, for the jam we found along the line at least
one heat exchanger. Therefore, it is a factor to be considered in our planning and design.
In addition to the pressure drops caused by the equipment, there are other minors power losses
caused by all the accessories that would be on our line (12) (13).
In general the pressure drops generated by tubing, attachments or by equipments that are along
the line of flow can be calculated from the following formula (14) (15).
This formula is based on a length which corresponds to the length of the pipe and the equivalent
length of fittings and equipments.
This calculated value will be very useful to find a minimum pump power to flow jam between two
points of interest.
V. General considerations about pumps
Pumps are the heart of the transports system of fluids along the pipe, these equipments enable
us to overcome the forces that prevent product to flow naturally, so is needed to know how to
select an appropriate pump that allows us to perform the committed task.
The most important factors to consider in purchasing a pump are the type of pump used and its
power.
Another factor to be considered in the same installation is the location of the equipment along the
line.
Below we describe the factors listed above depending on the needs of the user.
A type of pump
There are many pumps on the market but we can generally classify them into two major groups.
Centrifugal pumps are pumps capable of moving fluids with small solids in suspension and low
viscosity, theyre use is extensive in the field of food, but for pumping a food as viscous as the jam
using this type of pump is ambiguous.
On the other hand we have positive displacement pumps, these are designed to transport non-
Newtonian viscous fluids, there are many bombs of this type but which best suit the product, in
this case are the Rotary since they produce a continuous flow of jam and are quite efficient.
B. the pump power
The power of the pump to move a fluids flow is the decisive factor to acquire it, choosing a power
less than the required and the pump will be obsolete for the process and Its counterpart means to
spend money unnecessarily.
The pump power can be obtained by performing the mechanic energy balance in our flows line as
shown below (16).
Done that we have to select a pump capable of exerting the required power without forgetting
that the value provided by the manufacturer is not real since all pumps have a degree of efficiency
in their performance.
C. location of the pump
The last step to complete the installation of our system will be to locate the pump somewhere in
our line.
For this we will have to calculate the NPSH (net positive suction head) available and compare with
the NPSH that offers our pump (17).
if the , we will have to take some corrective actions to increase our head, for
example increasing suction high, placing the pump closer to the tank or removing accessories.
This will help the pump have a better performance and prevent prematurely damaged by
cavitation effect.
VI. Results
After analyzing the considerations raised in this work for the installation or optimization of a
Strawberry Jam transport system we are capable of make a table that reflects all the factors
involved in the transportation of the product and what are the restrictions that limit to each of
them.
Table I. General considerations to optimize the transport of Strawberry Jam through pipes
Factor Relationship of interest Recommended action Restriction
Temperature
Increase the temperature of the jam
Temperatures above
80 produce losses of the organoleptic properties
Length of pipelines Reduce the length of the pipes
The pipes must be able to connect the different equipment required in the processing and storage of the jam
Bends and curvatures
Decrease the amount of elbows and curves in the line
The physical space
Type of pipe Choose a pipe with a low surface roughness
Price
Pipe diameter
Use larger diameter in pipes
Price, less heat transfer
Accessories and equipments
Purchase equipment that produce less pressure drops, reduce the amount of accessories
Prices, less flow control in line
Pumps
Decrease the height between tanks
Physical space
Use tanks open to the atmosphere
Storage tanks arent generally opened to the atmosphere
Do nothing (is not significant)
---
Relocate the pump, get rid of accessories
There are accessories that cannot be removed, sometimes is impossible to raise the supply tank
VII. Conclusions
Since viscosity is inversely proportional to the temperature, if we flows the jam as hot as possible
and thus decrease its viscosity which implies less power when pumping and therefore significant
savings in energy.
The diameter is inverse to the pressure required to make flow the product, as bigger is the
diameter of the pipe we will require less pressure to flow jam this however means that the
average speed of the flow is slow and that many occasions is avoided in the industry since we
have to process big volumes every day.
There are falls of pressure along the line of flow of our product by different equipments and
accessories that can be found, therefore it is essential to use the minimum amount of accessories,
and put into consideration the fall of pressure described in the datasheet of a equipment at the
time of purchasing.
The length of the pipe is directly proportional to the pressure drop, this is due to the friction
caused by the walls of the pipe and the fluid, therefore as longer the pipe is, the fluid will lose
more energy and will require a bigger pressure to move it.
There are many varieties of pumps in the food industry, however Rotary positive displacement
pumps are most suitable for transporting jam because they offer us a continuous flow and
acceptable efficiency.
The pump must be placed meticulously to avoid Sonic vaporization of the water inside it which
would produce a phenomenon known as cavitation which can be avoided by increasing the
available NPSH through different ways as for example bringing the bomb the nearest as possible
to the feed tank.
References
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Chemical Engineering and Applications, 1, 2010
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